冷噴涂中激波及粒子沉積過程研究.pdf

1、超音速冷噴涂是一種新型的表面涂層制備方法，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但冷噴涂技術(shù)作為一個(gè)新興技術(shù)，其理論尚不完善，噴涂質(zhì)量和效率尚待提高。氣體與金屬粉末粒子的兩相超音速流動(dòng)和粒子在基體表面的沉積，是冷噴涂中兩個(gè)非常重要的過程。超音速激波直接影響粉末粒子在基體表面的沉積速度和噴涂效果，基體表面的沉積過程則不容易被直觀的觀測。為了解決這兩個(gè)問題，本文開展了以下研究：氣固兩相流動(dòng)的音速與激波、Cu團(tuán)簇的熔化及凝固過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬、團(tuán)簇沉積過程的分子動(dòng)

2、力學(xué)模擬、冷噴涂實(shí)驗(yàn)制備涂層的掃描電子顯微鏡觀察。
　　 噴涂粉末粒子與氣體形成超音速流動(dòng)，其音速及激波與單相氣體有較大差別。通過兩相平衡條件下的定熵音速，推得氣固兩相介質(zhì)的音速，并分析計(jì)算了不同氣體與固體粉末兩相介質(zhì)的音速。由于可壓縮性的變化，氣固兩相流的音速變得更小，壓力和體積含氣率對(duì)音速的影響較大?；趦上嘁羲俳⒘藲夤虄上嗔骷げＰ停治隽讼嚅g滑移、相間熱交換、不同固相粉末和波前參數(shù)對(duì)激波的影響。相同流速下的氣固兩相流，

3、由于音速的減小導(dǎo)致馬赫數(shù)更大、激波更強(qiáng)，波后的流速更低，相間滑移和波前壓力對(duì)激波有一定影響，波前馬赫數(shù)和體積含氣率有較大影響。超音速冷噴涂是高馬赫數(shù)下的兩相流動(dòng)，在基體表面前部將產(chǎn)生激波，使氣體流速大大降低，被氣體加速的較大團(tuán)簇(如微米粒子)由于慣性作用仍將以較高速度撞擊基體形成涂層，而較小的團(tuán)簇(如納米粒子)則由于與氣體分子作用強(qiáng)而降低速度大小和改變速度方向，不易形成穩(wěn)定的涂層。因此，對(duì)較小粒子的超音速冷噴涂，應(yīng)充分考慮激波的影響。<

4、br>　　 涂層形成過程中團(tuán)簇與基體都可能出現(xiàn)熔化和凝固，本文應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法模擬了包含不同原子數(shù)的Cu團(tuán)簇的熔化和凝固過程，通過結(jié)合勢能的變化、均方位移的變化、徑向分布函數(shù)的變化確定了不同大小的Cu團(tuán)簇的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)溫度，并討論了冷卻速率對(duì)熔體凝固產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，Cu團(tuán)簇熔點(diǎn)低于塊狀金屬熔點(diǎn)，而且隨原子數(shù)增加，團(tuán)簇熔點(diǎn)溫度升高，但上升幅度逐漸變小，最后接近塊狀金屬的熔點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。冷卻速率對(duì)結(jié)晶過程影響

5、很大，金屬熔體以較快速率(冷卻速率：1.6×1013K/s)冷卻時(shí)將得到非晶體，如果以較慢速率(冷卻速率：1.6×1012K/s)冷卻則可以得到晶體。
　　 由于團(tuán)簇沉積過程難于觀測，論文采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了Cu團(tuán)簇在Cu基體上沉積過程，得到了沉積過程的所有細(xì)節(jié)。模擬了單個(gè)團(tuán)簇在基體上沉積的過程及多個(gè)團(tuán)簇在基體上沉積形成涂層的過程，通過對(duì)比碰撞前后團(tuán)簇與基體的徑向分布函數(shù)及計(jì)算團(tuán)簇原子間形成的鍵對(duì)的變化可知，Cu團(tuán)簇沉積后可

6、以得到類似于基體結(jié)構(gòu)的FCC占主導(dǎo)的晶格結(jié)構(gòu)；通過計(jì)算基體溫度發(fā)現(xiàn)，團(tuán)簇撞擊基體的過程中，基體的受撞擊影響區(qū)域可能有熔化現(xiàn)象產(chǎn)生，但基體的其余部位并沒有發(fā)生熔化，如Cu546以1100m/s撞向基體時(shí)，基體受影響區(qū)域的最高溫度達(dá)到1498K，但基體的其余區(qū)域的溫度還不到500K；通過界面局部最高溫度、有效接觸面積及扁平率的變化來判斷團(tuán)簇是否與基體發(fā)生有效機(jī)械結(jié)合，此外，團(tuán)簇和基體間還可能存在冶金結(jié)合；通過計(jì)算Pinter及團(tuán)簇原子進(jìn)入基

7、體的原子數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)研究了團(tuán)簇入射速度、團(tuán)簇和基體溫度、團(tuán)簇大小及團(tuán)簇及基體硬度對(duì)沉積效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)簇入射速度對(duì)團(tuán)簇與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度影響較大，入射速度越大，結(jié)合強(qiáng)度越大，而且較大速度的團(tuán)簇在基體上沉積后可較快地獲得與基體晶格結(jié)構(gòu)相近的沉積層；團(tuán)簇或基體的溫度的升高可以提高團(tuán)簇與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，但效果并不顯著；團(tuán)簇大小對(duì)團(tuán)簇與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度影響較大，團(tuán)簇越大，結(jié)合強(qiáng)度越大；團(tuán)簇和基體的硬度也對(duì)沉積效果影響較大，如果基體

8、硬度過高，碰撞不能使基體發(fā)生足夠的變形，很難形成有效結(jié)合，當(dāng)基體硬度比較低時(shí)，硬度較高的團(tuán)簇與之碰撞會(huì)產(chǎn)生晶體缺陷；通過計(jì)算團(tuán)簇與基體間的勢能及表面粗糙度研究了團(tuán)簇大小及速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響，如果采用較大的團(tuán)簇，可以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，但形成的涂層的表面較粗糙，如果團(tuán)簇速度較大，形成的涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也較大，而且涂層表面較光滑。
　　 為了驗(yàn)證機(jī)理分析的結(jié)果，通過冷噴涂實(shí)驗(yàn)在Al板上制備了Cu涂層。Cu顆粒與基體撞擊時(shí)

9、發(fā)生了劇烈的塑性變形，并且在撞擊瞬間其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，顆粒發(fā)生局部熔化，Cu涂層與基體之間主要為物理鍵合及金屬鍵合，結(jié)合強(qiáng)度很大，但涂層中存在細(xì)小孔洞。盡管模擬時(shí)為了計(jì)算方便采用了與噴涂粒子相同的基體材料，與實(shí)驗(yàn)時(shí)有所差別，但試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象仍驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)模擬所得到的部分結(jié)論。
　　 本文的創(chuàng)新之處：
　　 ①將氣固兩相流超音速激波用于冷噴涂的流動(dòng)分析，揭示了激波對(duì)冷噴涂影響的機(jī)理，對(duì)較小團(tuán)簇的超音速冷噴涂影響較大，